Khi các cuộc khủng hoảng năng lượng và môi trường hoành hành, các giải pháp bền vững như hệ thống bơm nhiệt nguồn mặt đất (GSHP) sẽ thu hút được sự chú ý. Hệ thống GSHP sử dụng năng lượng địa nhiệt ổn định bên dưới bề mặt trái đất để cung cấp hệ thống sưởi và làm mát cho các tòa nhà. Vì vậy, chúng là giải pháp thay thế thân thiện với môi trường cho các hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí hoặc HVAC truyền thống. Cụ thể, trong việc xây dựng các thành phố thông minh, việc sử dụng các cọc năng lượng—các cấu trúc hỗ trợ các tòa nhà và hoạt động như một phần của hệ thống GSHP—và phân tích động lực nhiệt của đất là rất quan trọng để phát triển đô thị bền vững.
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra trong một nghiên cứu mới rằng các hệ thống GSHP, đặc biệt khi được tích hợp với các cọc năng lượng, mang lại giải pháp bền vững cho phát triển đô thị ở Đông Nam Á. Nguồn: Shinya Inazumi từ SIT, Nhật Bản https://www.mdpi.com/2624-6511/7/3/58
Trong khi hầu hết các nghiên cứu tập trung vào các khía cạnh kỹ thuật và kinh tế của hệ thống GSHP ở vùng khí hậu ôn đới, thì một số ít nghiên cứu lại đề cập đến các vùng nhiệt đới như Đông Nam Á. Điều này rất quan trọng cần cân nhắc vì đất sét biển mềm ở Đông Nam Á rất khác so với đất ôn đới, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống GSHP. Nhiệt độ cao và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị cũng là những thách thức đáng kể ở các vùng nhiệt đới.
Trong bối cảnh đó, một nhóm các nhà khoa học, do Giáo sư Shinya Inazumi từ Trường Cao đẳng Kỹ thuật thuộc Viện Công nghệ Shibaura, Nhật Bản dẫn đầu, đã xem xét cách hệ thống GSHP có thể được tối ưu hóa để phát triển đô thị bền vững ở các vùng nhiệt đới. Họ đặc biệt tập trung vào tác động của độ dẫn nhiệt và mật độ của đất đến hiệu suất hệ thống ở Đông Nam Á. Phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Thành phố thông minh vào ngày 12 tháng 6 năm 2024.
Giáo sư Inazumi giải thích, "Một số yếu tố quan trọng và mối quan ngại về môi trường đã thúc đẩy chúng tôi tiến hành nghiên cứu này. Bao gồm nhu cầu năng lượng tăng cao do quá trình đô thị hóa nhanh chóng, sự phụ thuộc lớn vào nhiên liệu hóa thạch, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị và động lực ngày càng tăng cho phát triển đô thị bền vững. Vì vậy, chúng tôi đã tìm hiểu cách tích hợp các hệ thống GSHP với các cọc năng lượng có thể giải quyết những thách thức này một cách hiệu quả để thúc đẩy lợi ích về môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng đô thị."
Để đạt được mục tiêu này, các nhà nghiên cứu đã phát triển mô hình sai phân hữu hạn một chiều để dự đoán nhiệt độ đất xung quanh các cọc năng lượng ở các khoảng cách và khoảng thời gian khác nhau. Các thông số đầu vào của nó bao gồm các tính chất vật lý và nhiệt của vật liệu và đất. Dữ liệu liên quan được rút ra từ các nghiên cứu sâu rộng về hệ thống GSHP ở Đông Nam Á, cũng như các sách giáo khoa và sổ tay thiết kế đáng tin cậy. Đáng chú ý, độ dẫn nhiệt của đất và mật độ đất là những thông số quan trọng được phân tích để hiểu tác động của chúng đến nhiệt độ đất xung quanh cọc năng lượng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự phân bố nhiệt độ xung quanh các cọc năng lượng vẫn ổn định trong một tháng, ba tháng và một năm bất chấp những thay đổi về độ dẫn nhiệt của đất. Khả năng phục hồi hoạt động nhiệt của hệ thống trước những thay đổi này cho thấy hệ thống GSHP có thể được thiết kế linh hoạt bất chấp những thay đổi nhỏ về độ dẫn nhiệt của đất.
"Nhiệt độ đất giảm khi mật độ đất tăng từ 1400 lên 1800 kg/m3 . Cụ thể, với mỗi lần tăng mật độ đất, nhiệt độ giảm 0,02 ◦ C, 0,01 ◦ C và 0,0025 ◦ C trong các khoảng thời gian cụ thể (lần lượt là ba tháng, sáu tháng và một năm). Vì vậy, mối quan hệ tỷ lệ giữa mật độ đất và nhiệt độ đất cho thấy đất có mật độ cao cải thiện độ dẫn nhiệt và do đó cải thiện hiệu suất của hệ thống", Giáo sư Inazumi giải thích thêm.
Hơn nữa, cứ tăng mật độ đất 10%, nhiệt độ trung bình giảm 0,007 °C ở 0,3 mét, 0,003 °C ở 0,6 mét và 0,0009 °C ở 1,0 mét từ đống năng lượng. Tuy nhiên, điều này chỉ ra rằng ảnh hưởng của đất mật độ cao đến nhiệt độ đất giảm dần khi khoảng cách từ các cọc năng lượng tăng lên.
Nhìn chung, những kết quả này cho thấy rằng khi sử dụng nhiệt độ mặt đất ổn định, các hệ thống GSHP—cụ thể là khi tích hợp với các cọc năng lượng—có hiệu quả trong việc sưởi ấm và làm mát môi trường đô thị. Sự tích hợp như vậy làm giảm sự phụ thuộc của người dân thành thị vào các hệ thống sưởi ấm và làm mát truyền thống, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện và lượng khí thải nhà kính. Nó cũng cung cấp một cách để giảm thiểu hiệu ứng đảo đô thị ở những khu vực đông dân cư. Do đó, các thành phố thông minh có thể bền vững nếu cơ sở hạ tầng đô thị được tích hợp với các hệ thống GSHP.
Giáo sư Inazumi nhấn mạnh, "Hiệu quả lâu dài của hệ thống GSHP có thể bị ảnh hưởng bởi khí hậu nóng ẩm của Đông Nam Á. Tuy nhiên, những phát hiện của nghiên cứu này nhấn mạnh nhu cầu tiến hành thêm nghiên cứu và phải bao gồm các thí nghiệm thực địa và kỹ thuật mô hình hóa tiên tiến để tinh chỉnh cấu hình GSHP và nâng cao hiệu suất hệ thống. Nhìn chung, nghiên cứu này cung cấp hiểu biết toàn diện về việc sử dụng năng lượng địa nhiệt ở các khu vực đô thị nhiệt đới và mở đường cho những đổi mới trong tương lai về tính bền vững ở các thành phố thông minh".
Nghiên cứu trong tương lai về phát triển đô thị bền vững sẽ khuyến khích các chính phủ, công ty xây dựng và cá nhân áp dụng hệ thống GSHP trên toàn cầu.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
